陳嘉銘

（北華大學電氣信息工程學院，吉林 吉林 132021）

隨著世界各國經(jīng)濟的快速發(fā)展和科技水平的不斷進步，人們對能源的需要和消耗也表現(xiàn)出前所未有的迫切和增加，傳統(tǒng)的能源表現(xiàn)出日益匱乏的態(tài)勢。由于能量的利用往往是先轉(zhuǎn)化為電能，伴隨著新型能源的利用，必須由相應(yīng)的先進的儲能裝置與之配合，否則，難以實現(xiàn)新能源的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和有效的利用。大容量儲能不但能夠提高能源的利用率，還有更重要的功效。這種方法無能量損耗，效果理想，對電網(wǎng)系統(tǒng)而言可以說是投資少而效益高，具有其他方式無法與之相比的優(yōu)越性。

目前化學蓄能在蓄能市場中得到了廣泛的應(yīng)用，常用的蓄電池具有能耗量低、需要長時間充電、使用周期短、對環(huán)境污染大等缺點。本文設(shè)計了一項新穎的電能存儲方法，突破了傳統(tǒng)的化學能儲能方式，將電能用機械能的方式蓄存起來，即飛輪儲能。

飛輪儲能包括三部分，分別是電能輸入、存儲和電能輸出。系統(tǒng)基本的工作原理具體來說是，充電過程中，飛輪被電機驅(qū)動，在電機的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，將電能以機械能的形式儲存。放電過程中，已經(jīng)在高速旋轉(zhuǎn)的飛輪提供原動力，作用相當于原動機，旋轉(zhuǎn)過程中帶動發(fā)電機，發(fā)電機產(chǎn)生的電能經(jīng)過電力電子變換器的調(diào)整，最后輸出穩(wěn)定的、可以供負載直接使用的電壓、電流飛輪是真正的儲能元件，也是整個儲能系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)儲能的多少由飛輪直接決定，飛輪儲能過程中做的是高速的旋轉(zhuǎn)運動。

飛輪儲能系統(tǒng)工作過程包括充電模式，此時電能轉(zhuǎn)換為動能；保持模式，此時電能已經(jīng)被轉(zhuǎn)化為機械能，由高速旋轉(zhuǎn)的飛輪負責儲存這些能量。放電模式，即系統(tǒng)將機械能轉(zhuǎn)化為電能，供負載使用。充電模式，外部電源通過電子變換器驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，飛輪在電動機的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，電機工作在電動狀態(tài)，電能由此被儲存在飛輪中，此過程中消耗了外部電能，增加了飛輪的機械能，進而實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換、存儲。保持模式，飛輪系統(tǒng)依靠交流電輸入，飛輪保持在最高工作轉(zhuǎn)速運行，能量基本保持恒定，系統(tǒng)損耗最低。此時，可以控制系統(tǒng)進入低壓模式，使飛輪以額定能量運轉(zhuǎn)，負載所需能量由電源直接提供。放電工作模式。高速旋轉(zhuǎn)的飛輪將自身的動能轉(zhuǎn)換成電能傳遞給負載，電機工作在發(fā)電狀態(tài)。機械能被消耗，輸出連續(xù)的電能。

本文研究的飛輪儲能控制系統(tǒng)主要是對直流無刷直流電機的控制。即當系統(tǒng)工作在對飛輪充能狀態(tài)下時，通過DSP控制電力電子器件，實現(xiàn)直流無刷電機帶動飛輪高迅速旋轉(zhuǎn)；當系統(tǒng)工作在飛輪釋能狀態(tài)時，飛輪帶動電機轉(zhuǎn)動，使其工作在發(fā)電狀態(tài)。本章就針對無刷直流電機構(gòu)建數(shù)學模型，并對其進行分析，運用特定的計算公式，以便確定各項參數(shù)。

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括MCU控制電路、電壓電流檢測電路、隔離驅(qū)動電路、系統(tǒng)電源和輔助電路等4個部分。控制電路是主要是指以MCU為控制核心的最小系統(tǒng)電路，它是整個飛輪儲能系統(tǒng)的控制核心，采集電壓、電流等反饋信號，經(jīng)過分析處理后，按照程序預設(shè)輸出多路PWM控制信號并負責發(fā)出聲光報警信號，確保飛輪儲能控制系統(tǒng)能正常、穩(wěn)定、可靠地工作。

本文選用TMS320LF240x系列來做控制電路的核心器件。TMS320LF240x系列DSP采用高性能靜態(tài)CMOS集成電路制造技術(shù)，具有先進的哈佛結(jié)構(gòu)，流水線技術(shù)，片內(nèi)外圍模塊，片內(nèi)存貯器和高度專業(yè)化指令系統(tǒng)。該控制器具有低成本、高性能處理的DSP內(nèi)核和幾種最適合電機控制的先進外圍設(shè)備結(jié)合在一起。

TMS320系列DSP控制器集強大的實時信號處理能力和眾多控制器外設(shè)功能于一身，其這種體系結(jié)構(gòu)是專門針對實時信號處理功能而設(shè)計，是高速信號處理的一種專用芯片，強大的處理速度功能是其它控制芯片無法相比的。

本文充電回路逆變器選用的是富士公司的PM30F070。該IPM內(nèi)置了保護電路，與普通IGBT驅(qū)動電路設(shè)計相比，本次設(shè)計中只需要設(shè)計隔離電路即可。隔離電路的作用就是將IPM模塊與控制電路的信號進行可靠的分離，即驅(qū)動IPM的PWM信號和IPM自保護產(chǎn)生的故障信號之間要隔離。

本文選用了IR公司的IR2103集成芯片作為功率驅(qū)動芯片，柵極驅(qū)動芯片IR2103是一種高壓高速的功率MOSFET驅(qū)動器。它有兩個獨立的高端和低端輸出通道，一個芯片可以驅(qū)動兩個MOSFET管。此芯片電路基于自舉驅(qū)動方法，直接驅(qū)動功率MOS-FET，其輸出的浮置通道可用來驅(qū)動高端接于最大供電電壓為600V的N溝道MOS-FET。

直流回路電壓過大會造成功率管損壞，欠壓則會使得逆變后的交流壓值下降?；魻栁恢脵z測電路在這主要有兩個作用：一是檢測電機定、轉(zhuǎn)子的相對位置并提供驅(qū)動換相信號；二是通過檢測某一路脈沖信號的個數(shù)，經(jīng)軟件計算后轉(zhuǎn)換為速度信號，構(gòu)成速度的反饋環(huán)節(jié)。

本文設(shè)計的飛輪儲能控制系統(tǒng)在正常工作的時候，需要的電源有+24V、±15V、+5V等?？刂葡到y(tǒng)中驅(qū)動、隔離、保護、檢測等都需要不同的電壓，所以，對電壓需要特定的電路保障。根據(jù)飛輪儲能系統(tǒng)的不同工作模式，能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在儲能運行時對電動機力矩電流進行調(diào)整，確保飛輪運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)、安全、可靠；而在飛輪系統(tǒng)釋能運行時，需要對輸出設(shè)備的母線電壓進行調(diào)整。我們建立了飛輪儲能系統(tǒng)的仿真模型，并進行仿真分析，確定了仿真參數(shù)。

系統(tǒng)主要軟件分析設(shè)計要根據(jù)功能需要而設(shè)計，充電部分主要是DSP芯片TMS320F2407通過控制電力電子器件完成對無刷直流電機的控制。在軟件設(shè)計和開發(fā)上，也采取了程序的模塊化設(shè)計理念并且根據(jù)DSP芯片的硬件資源豐富的優(yōu)點，完成充電部分控制系統(tǒng)的各項指標。電流環(huán)的輸出換算成PWM的占空比。所以在本文的軟件設(shè)計中DSP會根據(jù)電流環(huán)的輸出來改變PWM占空比寄存器中輸入，從而完成電流環(huán)的調(diào)節(jié)。速度的反饋量是依據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號變化的時間間隔計算得出的，它與給定轉(zhuǎn)速形成的偏差，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)算法來控制無刷直流電機的轉(zhuǎn)速，使其具有穩(wěn)態(tài)性能好、響應(yīng)速度快和抗干擾能力強等特點。放電部分程序主要分為兩大部分，一是當飛輪在帶動直流無刷電機旋轉(zhuǎn)時，經(jīng)三相全橋整流后，直流母線電壓會隨飛輪轉(zhuǎn)速的下降而降低，這個時候就要調(diào)節(jié)BOOST升壓電路將直流母線電壓穩(wěn)定在310V左右，第二就是對MOSFET逆變電路控制使控制系統(tǒng)輸出220 V的工頻交流電。A/D轉(zhuǎn)換及調(diào)理模塊選用的是DSP 2407自帶的10位轉(zhuǎn)換模塊。

本文主要是對基于DSP芯片控制的飛輪電池儲能系統(tǒng)的分析研究，使整個飛輪電池儲能控制系統(tǒng)能量高效率的轉(zhuǎn)換和使用，采用模塊化設(shè)計理念，提出一些新方法，并結(jié)合MATLAB軟件進行了仿真試驗。提出了一種采用電力電子器件的飛輪電池儲能控制系統(tǒng)：并進行了理論分析和仿真建模，論文主要分析了充電和放電部分，對整體設(shè)計做出指導。

[1]靳國棟，姜維，馬小梅，高飛.軸承對動量論飛輪體結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響分析[J].軸承研究所，2008(6)∶30.32

[2]周新秀，房建成，劉剛.磁懸浮反作用飛輪電機滑模變結(jié)構(gòu)控制 [J].電機與控制學報，2008(9)∶12.5.

[3]徐衍亮，趙建輝，房建成.高速儲能飛輪用無鐵芯永磁無刷直流電動機的分析與設(shè)計[J].電工技術(shù)學報，2004(12)∶19-12.